Лекции2б

Физика, технология и элементная база
современной электроники
Плюснин Николай Иннокентьевич,
д.ф.-м.н.,
проф. кафедр:
ИСКТ ВГУЭС, и КПРЭА ДВГТУ,
зав. лаб. ИАПУ ДВО РАН
1
Микро-электронные механические системы

МЭМС - это множество микроустройств самой
разнообразной конструкции и назначения. С точки
зрения инженеров, это новая волна
полупроводниковой революции. МЭМС
обеспечивают полупроводникам, кроме возможности
«думать», возможность «ощущать», а также
взаимодействовать с внешним миром. Способ
производства МЭМС сходен с созданием
современных чипов. Процесс литографии дает
возможность штамповать тысячи готовых микросхем
в очень короткие сроки и с низкими затратами, точно
таким же образом можно создавать и дешевые
механические сенсоры и приводы.
2
Микро-электронные механические системы

Такие устройства применяются практически
повсюду. В медицине их используют в качестве
датчиков давления крови, лимфы,
спинномозговой жидкости etc. Химические
лаборатории - в микродозаторах.
Офтальмологии и отоларингологи - в
микроинструментах, без которых были бы
невозможны уникальные операции. Гигиенисты
и дозиметристы используют микроанализаторы
или всевозможные «электронные носы»,
позволяющие уловить вещества,
присутствующие в ничтожных концентрациях.
3
Микро-электронные механические системы

сенсоры физических величин, химических
элементов, биологических материалов

биочипы

микромеханизмы, микроинструменты

микродвигатели, микр-турбины

микро-электромеханические, микро-оптомеханические и биотехнические
микросистемы

микросистемы энергообеспечения

технологические микросистемы
4
Микро-электронные механические системы

Биочип или “лаборатория-на-кристалле” - это
многоканальное устройство на Si подложке, в
которой протравлены каналы. По ним поток
тестируемого вещества, вводимого насосом через
трубки, перемещается от входа к миниатюрным
электродам, соединенным с органическими
идентификаторами. Когда молекула-ключ
соединяется с идентификатором-замком, импеданс
под электродами изменяется. Компьютер,
подключенный к биочипу, считывает состояние
идентификатора. Предполагается разместить биочип
в миниатюрный картридж, который пользователь
должен поместить внутрь тестируемого вещества
5
Микро-электронные механические системы

Основа микро-электромеханических систем необычайно миниатюрные
механические элементы,
интегрированные в
электронную схему.

На фотографии (рис. 1) вы
видите элементы кремниевого
двигателя. Чтобы можно было
оценить его размеры, стоит
заметить, что огромная труба
над ним - человеческий волос,
диаметр которого - 100 микрон
(10-5 м).
6
Микро-электронные механические системы

Исследователи университета г.
Беркли планируют создать
микромеханическое насекомое с
размахом крыла в 10-25 мм,
способное на автономный полет.
Разработчики делают ставку на
пьезоэлектрические приводы и
корпус из гибких материалов,
чтобы обеспечить требуемое
распределение мощности и
необходимую подъемную силу
крыла, используя в качестве
источника энергии солнечные
батареи (рис. 2).
7
Микро-электронные механические системы

Электронная перчатка
была создана в
Калифорнийском
университете. Она через
МЭМС-акселерометры
расшифровывает и
переводит жесты рук в
интерпретируемые
компьютером символы.
Пять двухосных МЭМСакселерометров
размещены на кончиках
пальцев каждой
перчатки, шестой - на
тыльной стороне ладони.
8
Микро-электронные механические системы

Клавиатура-перчатка представляет собой
крупномасштабную модель МЭМС,
разрабатываемых в проекте Smart Dust («умная»
пыль), цель которого - создание автономных
миниатюрных (объемом в один кубический
миллиметр) устройств, интегрирующих на одном
чипе источник питания, различные датчики
(например, микроакселерометры, оптические
сенсоры и т. п.) и и беспроводные средства связи.
С помощью подобных устройств можно
построитькомплекс слежения за положением
вещей в пространстве Созданные образцы пока
еще в несколько раз больше нужного, но уже
несут в себе почти все необходимые компоненты
(рис. 4).
9
Микро-электронные механические системы
10
Микро-электронные механические системы

При поддержке НАСА инженеры МТИ создают
микроракету, имеющую размеры мелкой монеты и
представляющую собой микроэлектромеханическую систему, изготовленную из
кремния. С помощью нескольких таких устройств
ученые смогут запускать на орбиту наноспутники
размером с банку пива, сеть из которых могла бы
вести наблюдение за Землей или заниматься
обслуживанием своих более крупных собратьев.
По показателю отношения количества
генерируемой тяги к собственному весу МЭМСдвигатели опережают даже двигатели Шаттла (85
против 70).
11
Микро-электронные механические системы

Ученые из Национальной лаборатории Сандиа
объявили о создании миниатюрных автономных
машин-роботов. Их размеры: 6 мм в высоту, ширину
и длину. Вес - семь граммов. Робот состоит из
полимерного каркаса, трех батареек, шести колес,
двух гусениц, двух моторов, процессора с 8 Кб
памяти и датчика температуры (рис. 5) и может
нести на себе микрофон, видеокамеру, химический
датчик и беспроводную радио- или инфракрасную
систему связи. Основной областью применения
этих роботов станет поиск и обезвреживание мин,
опасных биологических и химических материалов.
12
Микро-электронные механические системы
13
Микро-электронные механические системы

Еще одна разработка Sandia Labs МЭМС-конвейер для работы с
отдельными клетками. Механизм,
помещенный в трубку толщиной
всего 20 микрон, способен
отлавливать и, удерживая
короткое время, деформировать
красные кровяные тельца эритроциты, которые затем
освобождаются, восстанавливают
свою форму и продолжают
движение (рис. 6). Каждый такой
захват работает со скоростью 10
клеток в секунду.
14
Микро-электронные механические системы

Конечная цель разработчиков - создать
устройство, объединяющее тысячи таких ловушек,
способных прокалывать клетку тонкой
силиконовой трубкой и вводить в нее ДНК, белки,
медикаменты - для противодействия
биологической или химической атаке, вторжению
вирусов, лечения генетических нарушений; это
представляет большой интерес для медицины,
генетической инженерии, сельского хозяйства. В
настоящее время учеными создан модуль,
содержащий восемь «ловушек» и микромоторчик
приводящий в движение механический захват.
Плата с модулем может свободно перемещаться в
объеме тонкой соломки для коктейля (рис. 7).
15
Микро-электронные механические системы
16